專利名稱：短毫米波交流輻射成像裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于輻射計成像領(lǐng)域，特別是一種短毫米波交流輻射成像裝置。
背景技術(shù)：
與現(xiàn)有各類主動和被動體制的成像探測相比，毫米波、亞毫米波被動成像的最主要困難就在于自然界的各種物體所輻射的毫米波、亞毫米波能量太微弱，通常只有微微瓦級甚至更低，而自然界的各種干擾及接收機自身的噪聲遠遠高于有用信號的能量。因此，如何從被噪聲淹沒信號中檢出有用信息是一個很大的挑戰(zhàn)。由于自然物的自然本征輻射無法改變，因此根本的方法就是要努力提高接收機的靈敏度，例如盡量對信號進行前置低噪聲放大、盡量減小系統(tǒng)本身的增益起伏、降低系統(tǒng)噪聲等等。毫米波輻射計輸出起伏由系統(tǒng)噪聲不確定性和系統(tǒng)增益不確定性決定,一般后者比前者要大兩個數(shù)量級，因而系統(tǒng)增益的被動起決定性作用。一般來說，采用高性能的微波器件和增加檢波前帶寬可以將輻射計的靈敏度提高到滿足各種實際應用要求的水平。但對微波短毫米波輻射與散射系統(tǒng)而言，系統(tǒng)電路類型的突破性改進非常困難。長期以來，人們一直采用各種辦法來減少和消除系統(tǒng)增益起伏和本機噪聲不確定性的影響。主要采取如下方法首先，目前國內(nèi)外輻射探測應用的大多是直流體制的輻射計，在全功率微波輻射計的基礎(chǔ)上，1946年Dicke研制出Dicke福射計。Dicke福射計為消除本機增益起伏的影響，采用單刀雙擲微波開關(guān)，使接收機輸入端交替地接到天線端口和參考源端口。在平方律檢波后進行相關(guān)檢波和相減處理，大大減少了增益起伏的影響，使微波輻射計走向?qū)嵱没?。但這種方法只有在天線溫度同參考源溫度相等時，才能全部消除接收機增益起伏的影響。其它如采用脈沖調(diào)制的恒流源開關(guān)直接調(diào)制固態(tài)噪聲源，實現(xiàn)脈沖噪聲注入的零平衡工作方式，并為此研制了一種高穩(wěn)定的脈沖調(diào)制恒流源開關(guān)；采用整體恒溫結(jié)構(gòu)，保證輻射計的環(huán)境溫度穩(wěn)定不變僅等于參考負載溫度。這樣可消除由于前端損耗及反射的存在和變化而引起的測量誤差，進一步提高系統(tǒng)的絕對精度；且由于整機電路和器件工作于恒溫環(huán)境中，可保證系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定可靠。但其硬件系統(tǒng)也比較復雜。目前有兩種方式檢測天線接收的信號，即超外差式和直接檢波式，超外差式是比較傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，它的射頻信號可能經(jīng)過或不經(jīng)過放大，但都會進入混頻器下變頻到中頻信號后再進行放大檢波等處理；而直接檢波式接收機接收的信號經(jīng)過低噪聲放大器后直接檢波。通常直流輻射計為了抵消機內(nèi)直流噪聲，需要采用迪克比較式、周期定標式或者注入噪聲式得輻射計體制，成像系統(tǒng)需要增加定標負載及冷熱噪聲源。而交流輻射計利用交流能量來獲取目標的信息，有自己獨特的定標方式，獨特的圖像解讀與處理方式。根據(jù)國內(nèi)外的相關(guān)文獻報道和發(fā)明專利，目前無論何種接收機，主要都是利用直流能量來獲取目標的特殊信息。而采用交流輻射計可以作為被動毫米波領(lǐng)域獲取目標信息的一種重要形式，與直流信息相比交流信息既有相同的目標圖像判讀方法又具有自己獨特的圖像解釋與判讀方法。[0007]直流輻射計無論掃描還是不掃描都有電壓輸出，可以獲取目標的信息。交流輻射計必須通過掃描才能獲取目標的對比度信息。采用高速掃描交流輻射計后，圖像的直流能量將部分丟失，成像的靈敏度將會較低。但對目標之間的對比關(guān)系影響不大。從能量的角度來看，雖然交流輻射計損失了一部分直流能量，但對目標之間的對比信息影響不大，因此利用交流輻射計體制的被動毫米波圖像可以反映的目標及目標之間的位置關(guān)系。另外在不計增益起伏的理想條件下，全功率輻射計比狄克式輻射計靈敏度高一倍
實用新型內(nèi)容
本實用新型的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單、使用成本低，且使用效果良好的短毫米波交流輻射成像裝置。實現(xiàn)本實用新型目的的技術(shù)解決方案為一種短毫米波交流輻射成像裝置，包括天線模塊、射頻低噪放模塊、檢波模塊、選通低放模塊、A/D采樣模塊、掃描控制模塊、交流成像模塊、幾何校正模塊、能量補償模塊、圖像顯示模塊，其中天線模塊、射頻低噪放模塊、檢波模塊、選通低放模塊、A/D采樣模塊、交流成像模塊、幾何校正模塊、能量補償模塊、圖像顯示模塊依次連接，掃描控制模塊分別與天線模塊和A/D采樣模塊連接；背景信息經(jīng)天線模塊接收，然后進入到射頻低噪放模塊經(jīng)低噪放放大后的射頻信息進入檢波模塊檢波，再送入選通低放模塊，經(jīng)過選通低放模塊獲得低頻信息；接著經(jīng)A/D采樣模塊進入到交流成像模塊，在交流成像模塊處理后送入幾何校正模塊，對于機械掃描和交流形狀畸變進行校正糾偏，經(jīng)幾何校正模塊處理后送入能量補償模塊進行能量補償，彌補不能區(qū)分大目標的技術(shù)缺陷，最后送入圖像顯示模塊，顯示的接近自然地物輻射的場景圖像，其中掃描控制模塊，控制天線進行二維掃描成像。本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(I)揭示了利用毫米波交流輻射計探測成像這種認識自然現(xiàn)象的新型技術(shù)手段和方法，尤其適于實現(xiàn)短毫米波段系統(tǒng)實現(xiàn)與探測。(2)與通常的直流輻射計信息相比，交流輻射計信息同樣包含了目標的幾何尺寸，材質(zhì)特征等信息，但是圖像的表現(xiàn)形式和解讀方法存在不同，利用交流體制同樣可以獲取準確獲取目標信息。(3)交流能量信息與直流能量信息既有區(qū)別又有聯(lián)系，都是獲取目標信息的重要方式，具有動態(tài)特征的交流輻射計圖像不僅開辟了新的信息獲取方式，圖像還具有自己獨特的判讀和解釋方式。(4)與直流輻射計圖像相比，交流輻射圖像的空間分辨率適中，不會引起旅客對于隱私暴露的擔憂，具有更高的檢測目標性質(zhì)和輪廓的能力，具有更好地焦平面系統(tǒng)集成性和一致性。(5)與直流福射計成像相比,交流成像福射計是一種高速掃描的全功率福射計。它通過選通低放隔去機內(nèi)的直流分量，利用交流分量來獲得目標的信息。它避開了機內(nèi)的直流噪聲，省去了匹配負載和3_開關(guān)及復雜的同步檢波電路，具有更加簡單的電路結(jié)構(gòu)，具有更短的積分時間l-5ms，以及更低的成本和測試系統(tǒng)。
以下結(jié)合附圖對本實用新型作進一步詳細描述。
圖I是本實用新型短毫米波交流輻射成像裝置的工作原理流程圖。圖2是本實用新型短毫米波交流輻射成像裝置的模塊連接圖。圖3是本實用新型短毫米波交流輻射成像裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本實用新型短毫米波交流輻射成像裝置的3_波段交流和直流輻射成像信號比較示意圖。
具體實施方式
如圖2所示本實用新型一種短毫米波交流輻射成像裝置，包括天線模塊、射頻低噪放模塊、檢波模塊、選通低放模塊、A/D采樣模塊、掃描控制模塊、交流成像模塊、幾何校正模塊、能量補償模塊、圖像顯示模塊，其中天線模塊、射頻低噪放模塊、檢波模塊、選通低放·模塊、A/D采樣模塊、交流成像模塊、幾何校正模塊、能量補償模塊、圖像顯示模塊依次連接，掃描控制模塊分別與天線模塊和A/D采樣模塊連接；背景信息經(jīng)天線模塊接收，然后進入到射頻低噪放模塊經(jīng)低噪放放大后的射頻信息進入檢波模塊檢波，再送入選通低放模塊，經(jīng)過選通低放模塊獲得低頻信息；接著經(jīng)A/D采樣模塊進入到交流成像模塊，在交流成像模塊處理后送入幾何校正模塊，對于機械掃描和交流形狀畸變進行校正糾偏，經(jīng)幾何校正模塊處理后送入能量補償模塊進行能量補償，彌補不能區(qū)分大目標的技術(shù)缺陷，最后送入圖像顯示模塊，顯示的接近自然地物輻射的場景圖像，其中掃描控制模塊，控制天線進行二維掃描成像。如圖3所示本實用新型控制垂直方向的垂直步進電機I和它的配重金屬塊2位于水平旋轉(zhuǎn)框架5的左右兩側(cè)，在垂直旋轉(zhuǎn)框架16上放置天線和輻射計4，輻射計4的信號線和電源線以及步進電機的相線經(jīng)過水平旋轉(zhuǎn)框架5的內(nèi)壁開過線槽6，再經(jīng)過中空的水平旋轉(zhuǎn)軸7進入到減速室，經(jīng)過空間隔板進入下一層的控制室，其中減速室內(nèi)裝有水平步進電機9和蝸輪蝸桿減速箱8，控制室內(nèi)裝有驅(qū)動裝置10、直流穩(wěn)壓電源11和單片機控制模塊12，電源線連接到電源座13，信號線通過信號線接口 14連接計算機進行數(shù)據(jù)處理與成像，整個裝置安裝在支撐支架15上；其中，輻射計4中包含射頻低噪放模塊、檢波模塊、選通低放模塊，單片機控制模塊12中包含A/D采樣模塊、掃描控制模塊，信號線通過信號線接口14連接的計算機中包含交流成像模塊、幾何校正模塊、能量補償模塊、圖像顯示模塊。實施例I :如圖3所示，交流能量體制的毫米波輻射成像裝置主要尺寸和技術(shù)參數(shù)如下高度I. Sm,重量小于50kg，占地面積0. 2m2 ;成像范圍180°X90 ° (其中水平旋轉(zhuǎn)可根據(jù)實際需要擴展到360° )，除了電源座和SMA信號座，整個系統(tǒng)無明線，各部分成像功能模塊均位于一體化結(jié)構(gòu)內(nèi)。系統(tǒng)設(shè)計和連接結(jié)構(gòu)如下控制垂直方向的垂直步進電機I和它的配重金屬塊2位于水平旋轉(zhuǎn)框架5的左右兩側(cè)，在垂直旋轉(zhuǎn)框架16上放置可以兼容600mm之內(nèi)口徑的卡塞格倫天線3和福射計4,福射計4的信號線和電源線以及步進電機的相線經(jīng)過水平旋轉(zhuǎn)框架5的內(nèi)壁開過線槽6，再經(jīng)過中空的水平旋轉(zhuǎn)軸7進入到減速室其中減速室內(nèi)裝有水平步進電機9和蝸輪蝸桿減速箱8，控制室內(nèi)裝有驅(qū)動裝置10、直流穩(wěn)壓電源11和單片機控制模塊12，電源線連接到電源座13，SMA信號線通過信號線接口 14連接計算機進行數(shù)據(jù)處理與成像，整個裝置安裝在支撐支架15上。其中，垂直步進電機I和水平步進電機9，均為體積小、重量輕、精度高、噪聲低的步進電機。裝置中的過線槽6，使得輻射計4需要的電源線和信號線以及垂直步進電機I的六根相線均通過隱藏、封閉的金屬框架開槽以及中空的水平旋轉(zhuǎn)軸7，穿過減速室和控制室的連接面板，進行電源供 電、掃描控制和數(shù)據(jù)傳送。這種無明線的設(shè)計大大降低了掃描系統(tǒng)的纏繞和電磁屏蔽。如圖I所示本實用新型一種短毫米波交流輻射成像裝置的工作原理，包括以下步驟步驟一利用大口徑的短毫米波天線接收目標相應波段自然輻射信息，天線的口徑直接決定了分辨率，本實用新型中采用600mm 口徑的卡式天線,可以兼容IOOmm — 600mm之間所有口徑的卡式天線，根據(jù)天線的頻率范圍如92-100GHz，可以接收相應目標的同頻率范圍信息；需要短于3_波段輻射天線系統(tǒng)，長于3_波段的毫米波交流成像系統(tǒng)成像分辨率較難滿足安全檢查和環(huán)境監(jiān)控中目標圖像分辨率和特征分析的要求，目前短于3mm波段的無論主動雷達系統(tǒng)還是直流輻射計系統(tǒng)實現(xiàn)都存在巨大的技術(shù)障礙，而交流輻射計體制是最簡單、最易實現(xiàn)的。步驟二 利用短毫米波射頻低噪放模塊將目標輻射信息的射頻信號放大，射頻低噪放的工作頻帶為70 - 110GHz，增益大于50dB。步驟三利用檢波模塊將射頻信號轉(zhuǎn)化為低頻信號，檢波模塊的靈敏度800W/V，可以滿足系統(tǒng)靈敏度的要求。步驟四利用選通低放模塊選出目標的低頻交流信號；選通低放的輸出電阻I千歐，積分電容為2微法，這樣系統(tǒng)的積分時間為t=2ms，這就要求選通低放的頻帶帶寬為B=250Hz ;選通低放模塊的作用是隔去目標和噪聲的直流信息分量，保留交流信息分量，必須保證選通低放模塊的積分時間與掃描速度相匹配(相等)，必須利用選擇器截取合適的正、負數(shù)值電平進行交流成像。步驟五利用峰值法選擇合適的正或負能量電壓進行成像，利用單片機A/D采樣模塊將低頻的模擬交流信號數(shù)字化，數(shù)字化的電壓數(shù)值最小為0. OlmV。步驟六判斷成像結(jié)束后(如未結(jié)束繼續(xù)掃描成像)，將數(shù)字化后的信息采用256等級電壓-灰度轉(zhuǎn)化為原始灰度圖像；交流成像與通常的直流毫米波輻射計相比，交流輻射圖像類似一個不規(guī)則的幾何微分，不規(guī)則的形狀參數(shù)由系統(tǒng)阻抗和積分器確定。步驟七將原始灰度圖像根據(jù)圓錐掃描方式進行圖像幾何校正，消除掃描畸變；另外，交流輻射圖像類似一個不規(guī)則的微分特性對目標的幾何形狀進行了變化，需要根據(jù)不規(guī)則的微分特性參數(shù)來還原目標的真實尺寸；除了校正普通的機械圓錐掃描失真，原始交流輻射圖像類似一個不規(guī)則的幾何微分，不規(guī)則的形狀參數(shù)由系統(tǒng)阻抗和積分器確定，為了保證選擇大致的幾何形狀，需要根據(jù)參數(shù)來校正目標的真實尺寸。步驟八將校正后的灰度圖像根據(jù)不同目標的灰度特征進行能量補償；因為交流輻射圖像對于大面積目標的采樣電壓均接近零值，所以需要根據(jù)不同目標的峰值均值重新確定目標的電壓-灰度值，以區(qū)分不同的目標；采用交流輻射成像需要進行能量補償，比通常的直流毫米波輻射計相比，交流輻射圖像對于點目標的測試相同，對于階躍目標的圖像完全不同，大目標的直流信息極為一穩(wěn)定的直流電平，目標不同這個直流電平通常不同，而交流輻射計的大目標的都是一個接近0伏的噪聲電平，這時需要利用兩端目標的峰值點作為參考點進行能量補償以區(qū)分不同的大面積目標。[0035]步驟九將能量補償后的灰度圖像根據(jù)灰度一偽彩色映射顯示為偽彩色圖像。能量補償，比通常的直流毫米波輻射計相比，交流輻射圖像對于點目標的測試相同，對于階躍目標的測試明顯不同，這時需要利用兩端目標的峰值點作為參考點進行能量補償。的圖像顯示的是交流輻射計的圖像，接近于目標真實自然輻射。如圖4所示直流輻射計無論掃描還是不掃描都有電壓輸出，可以獲取目標的信息，交流輻射計必須通過相對運動才能獲取目標的對比度信息。采用交流輻射計后，圖像的直流能量將部分丟失，成像的靈敏度將會較低。但對目標之間的對比關(guān)系影響不大。違禁物品的毫米波輻射特性測試實驗利用PC機和單片機進行掃描控制與成像，在單片機控制的成像掃描過程中，在一個中斷周期內(nèi)，利用3_波段天線接收人體衣物(及藏匿物品)的自然輻射信息，經(jīng)射頻低噪放模塊放大后進入檢波模塊，然后通過選通低放模塊的選通作用，產(chǎn)生一個電壓信號，這個電壓信號經(jīng)A/D采樣后變?yōu)閿?shù)字化信號，根據(jù)電壓信號的幅度確定相應的灰度等級，產(chǎn)生一個原始圖像，原始圖像經(jīng)過幾何校正后(如藏匿圓環(huán)的形狀)，再經(jīng)過直流能量補償，如圖像中大面積不同的顏色表示區(qū)域，最后利用賦色值法產(chǎn)生了一副偽彩色圖像，還可以利用Matlab系統(tǒng)色值產(chǎn)生灰度一偽彩色的違禁品模擬安檢圖像。場景的毫米波輻射特性測試實驗利用PC機和單片機進行掃描控制與成像，在單片機控制的成像掃描過程中，在一個中斷周期內(nèi)，利用3mm波段天線接收場景(地物目標)的自然輻射信息，經(jīng)射頻低噪放模塊放大后進入檢波模塊，然后通過選通低放模塊的選通作用，產(chǎn)生一個電壓信號，這個電壓信號經(jīng)A/D采樣后變?yōu)閿?shù)字化信號，根據(jù)電壓信號的幅度確定相應的灰度等級，產(chǎn)生一個原始圖像，原始圖像經(jīng)過幾何校正后(如矩形和圓形目標)，再經(jīng)過直流能量補償，如圖像中大面積不同的顏色表示區(qū)域，最后利用Matlab系統(tǒng)色值產(chǎn)生灰度一偽彩色的操場圖像。不同于傳統(tǒng)的直流輻射計成像，交流成像輻射計是一種高速掃描的全功率輻射計。它通過選通低放隔去機內(nèi)的直流分量，利用交流分量來獲得目標的信息。它避開了機內(nèi)的直流噪聲，省去了匹配負載和3mm開關(guān)及復雜的同步檢波電路，具有更加簡單的電路結(jié)構(gòu)，具有更短的積分時間l-5ms，以及更低的成本和測試系統(tǒng)，尤其易于實現(xiàn)短于3mm的毫米波系統(tǒng)。可以機場、海關(guān)、港口等處的安檢提供一種新的技術(shù)方法。被動毫米波成像技術(shù)本身不發(fā)射任何電磁波，因此對人體是安全的，另外由于毫米波對衣物、紙箱、皮革等具有一定的穿透性，因此可用毫米波交流成像輻射計檢測出隱匿在衣物下的物體。交流體制的輻射計成像方法尤其適合短毫米波波段的應用，而這個波段是目前主動和被動毫米波探測器發(fā)展存在著巨大技術(shù)障礙。本實用新型提出一種短毫米波輻射成像裝置，為進一步拓展和大規(guī)模應用毫米波交流體制成像提供理論前提和技術(shù)基礎(chǔ)。本實用新型一種短毫米波輻射成像裝置，采用交流輻射計，首先與雷達、紅外及直流輻射計一樣，可以利用成像的方式來獲得目標的信息，由于具有全天時全天候的工作能力，優(yōu)于紅外與光學探測系統(tǒng)，又由于不發(fā)射電磁波，所以又具有較高的隱蔽性與安全性，與直流輻射計相比，具有簡單易集成的結(jié)構(gòu)，更低的成本，方便的測試系統(tǒng)，對于短毫米及亞毫米波波段，比相同波段的雷達和輻射計具有技術(shù)上的優(yōu)先易實現(xiàn)性。
權(quán)利要求1.一種短毫米波交流輻射成像裝置，其特征在于包括天線模塊、射頻低噪放模塊、檢波模塊、選通低放模塊、A/D采樣模塊、掃描控制模塊、交流成像模塊、幾何校正模塊、能量補償模塊、圖像顯示模塊，其中天線模塊、射頻低噪放模塊、檢波模塊、選通低放模塊、A/D采樣模塊、交流成像模塊、幾何校正模塊、能量補償模塊、圖像顯示模塊依次連接，掃描控制模塊分別與天線模塊和A/D采樣模塊連接；背景信息經(jīng)天線模塊接收，然后進入到射頻低噪放模塊經(jīng)低噪放放大后的射頻信息進入檢波模塊檢波，再送入選通低放模塊，經(jīng)過選通低放模塊獲得低頻信息；接著經(jīng)A/D采樣模塊進入到交流成像模塊，在交流成像模塊處理后送入幾何校正模塊，對于機械掃描和交流形狀畸變進行校正糾偏，經(jīng)幾何校正模塊處理后送入能量補償模塊進行能量補償，彌補不能區(qū)分大目標的技術(shù)缺陷，最后送入圖像顯示模塊，顯示的接近自然地物輻射的場景圖像，其中掃描控制模塊，控制天線進行二維掃描成像。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種短毫米波交流輻射成像裝置，其特征在于控制垂直方向的垂直步進電機(I)和它的配重金屬塊(2)位于水平旋轉(zhuǎn)框架(5)的左右兩側(cè)，在垂直旋轉(zhuǎn)框架(16)上放置天線(3)和輻射計(4)，輻射計(4)的信號線和電源線以及步進電機的相線經(jīng)過水平旋轉(zhuǎn)框架(5)的內(nèi)壁開過線槽(6)，再經(jīng)過中空的水平旋轉(zhuǎn)軸(7)進入到減速室，經(jīng)過空間隔板進入下一層的控制室，其中減速室內(nèi)裝有水平步進電機(9)和蝸輪蝸桿 減速箱(8)，控制室內(nèi)裝有驅(qū)動裝置(10)、直流穩(wěn)壓電源(11)和單片機控制模塊(12)，電源線連接到電源座(13)，信號線通過信號線接口( 14)連接計算機進行數(shù)據(jù)處理與成像，整個裝置安裝在支撐支架(15)上；其中，輻射計(4)中包含射頻低噪放模塊、檢波模塊、選通低放模塊，單片機控制模塊(12)中包含A/D采樣模塊、掃描控制模塊，信號線通過信號線接口(14)連接的計算機中包含交流成像模塊、幾何校正模塊、能量補償模塊、圖像顯示模塊。
專利摘要本實用新型公開了一種短毫米波交流輻射成像裝置，包括天線模塊、射頻低噪放模塊、檢波模塊、選通低放模塊、A/D采樣模塊、掃描控制模塊、交流成像模塊、幾何校正模塊、能量補償模塊、圖像顯示模塊；其中天線模塊、射頻低噪放模塊、檢波模塊、選通低放模塊、A/D采樣模塊、交流成像模塊、幾何校正模塊、能量補償模塊、圖像顯示模塊依次連接，掃描控制模塊分別與天線模塊和A/D采樣模塊連接；本實用新型結(jié)構(gòu)簡單、使用成本低，且使用效果良好。
文檔編號G01S13/89GK202794516SQ20122039521
公開日2013年3月13日 申請日期2012年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月10日
發(fā)明者張光鋒, 婁國偉, 李躍華, 李興國, 朱莉, 王虹, 王琪 申請人:南京理工大學